Nghiên cứu hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than

Nghiên cứu hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Đức Hưng

Ngày tháng năm sinh: Ngày 04 tháng 07 năm 1978

Nơi sinh: Bệnh viện Gang Thép - Thái Nguyên

Nơi công tác: Trường Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên

Chuyên ngành: Tự động hóa

Khóa học: K11- TĐH

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Xuân Minh

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào

Tác giả luận văn

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than………16

1.1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than……… 16

1.1.2 Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than……… 18

1.2 Các hệ truyền động điện dùng ĐCMCKCT……… 25

1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)……… 25

1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)……….26

1.3 Một số đặc điểm về điện của ĐCMCKCT………27

2.3 Sơ đồ cấu trúc của ĐCMCKCT……….37

2.4 Lựa chọn thuật toán điều khiển cho ĐCMCKCT……… 41

2.4.2.4 Module chuyển đổi tương tự - số ADC 10bit……… 48

2.4.2.5 Module PWM điều khiển động cơ………51

2.4.3 Thiết kế mạch điều khiển ĐCMCKCT dùng DSPIC30F4011………52

2.4.3.1 Module xử lý trung tâm………52

2.4.4.2 Mạch đệm cho mỗi van IGBT……… 58

2.4.4.3 Nguồn cấp cho từng module của mạch đệm………58

2.4.4.4 Mạch đệm của cả 6 van IGBT……… 59

2.4.5 Viết chương trình điều khiển cho động cơ……… 64

2.5.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT………73

2.5.4.2 Đặc tính đóng cắt của van IGBT……… 69

2.5.4.3 Lựa chọn mạch nghịch lưu………76

2.5.5.1 Tính chọn mạch chỉnh lưu……….78

2.5.5.2 Tính chọn mạch nghịch lưu……… 79

2.6 Kết luận……… 80

Chương 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNGVÀ MÔ PHỎNG… 76

3.1 Tổng hợp các bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện cho ĐCMCKCT………… 81

3.1.1 Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than 81

3.1.2 Tổng hợp các bộ điều chỉnh của ĐCMCKCT 83

3.1.3 Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha ĐCMCKCT 84

3.1.4 Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển 85

3.1.4.1 Khối bộ biến đổi………79

3.1.4.2 Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng……… 81

3.1.4.3 Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ……… 81

3.1.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện……… 81

3.1.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 89

3.1.7 Mô phỏng mô hình một pha của ĐCMCKCT 93

3.2 Xây dựng và mô phỏng mô hình 3 pha của ĐCMCKCT 97

3.2.1 Xây dựng tổng quan mô hình hệ điều khiển ĐCMCKCT 98

3.2.2 Mô hình ĐCMCKCT 99

3.2.3 Mô hình bộ chuyển mạch điện tử - nghịch lưu nguồn áp 105

3.2.4 Khối Bộ điều khiển 106

3.2.5 Một số khối chức năng khác 109

3.2.6 Một số chương trình phục vụ cho mô hình hệ điều khiển 110

3.2.7 Mô phỏng mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển ĐCMCKCT 110

3.2.8 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển ĐCMCKCT 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh ĐCMC không chổi than với ĐCMC thông thường Bảng 1.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Bảng 1.3 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ Bảng 2.1 Phân công địa chỉ vào ra cho các chân của vi điều khiển

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT

một chiều không chổi than hai pha (b)

Hình 1.16Chuyển động ngược chiều kim đồng hồ của rotor và từ trường stator

Bảng 2.11Cấu trúc mạch phản hồi dòng điện

Hình 2.28 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Hình 2.30 Sơ đồ điện áp chỉnh lưu cầu diot

Hình 2.34 Đồ thị thể hiện quá trình khoá của van IGBT

Hình 3.1Mạch tương đương một pha ĐCMCKCT

(a) Tín hiệu vào trước rem(u,2*pi), (b) Tín hiệu ra sau rem(u,2*pi)

Hình 3.26Mô hình khối tạo dạng dòng điện

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp do việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ Cùng với sự thay đổi của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công nghệ về tự động hoá cũng có những bước phát triển vượt bậc và trở thành ngành mũi nhọn của thế giới

Các hệ thống tự động hoá sử dụng động cơ điện truyền thống thường được thiết kế với những phần tử tương tự tương đối rẻ tiền Điểm yếu của các hệ thống tương tự là chúng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và tuổi thọ của các thành phần Một nhược điểm nữa của các hệ thống này là khó mở rộng và nâng cấp Các cấu trúc điều khiển số khắc phục được tất cả những nhược điểm của các cấu trúc truyền động tương tự và bằng cách sử dụng các bộ xử lý có thể lập trình được việc nâng cấp trở nên rất dễ dàng do được thực hiện bằng phần mềm Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép chúng ta thực hiện được những bài toán điều khiển số yêu cầu độ phân giải cao, tốc độ và khối lượng tính toán lớn chẳng hạn như các bài toán điều khiển thời gian thực Ngoài ra, chúng còn cho phép tối thiểu hoá các thời gian trễ trong mạch vòng điều khiển Những điều khiển hiệu suất cao này còn cho phép giảm được dao động momen, giảm đáng kể tổn thất công suất như tổn thất công suất do các điều hoà bậc cao gây ra trong rotor Các dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hoá các phần tử công suất và các bộ lọc đầu vào

Những tiến bộ gần đây trong ngành Vật liệu từ (Nam châm vĩnh cửu), ngành điện tử công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện đại đã ảnh hưởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than (ĐCMCKCT) kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất hàng hoá, thiết bị, các bộ xử lý của thị trường cạnh tranh khắp thế giới

Động cơ một chiều không chổi than là loại động cơ có rất nhiều ưu điểm nên gần đây đã được chú ý nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi nhất là trong các hệ thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt: môi trường chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ, Do không có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp, chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược

điểm của động cơ một chiều thông thường Hiệu suất cao do giảm được tổn thất công suất, không cần bảo dưỡng và quán tính rotor nhỏ của động cơ một chiều không chổi than đã làm tăng nhu cầu sử dụng động cơ này trong những ứng dụng rô bốt và servo công suất lớn Việc phát minh ra các thiết bị công suất hiện đại như MOSFET, IGBT, GTO và nam châm vĩnh cửu đất hiếm năng lượng cao đã tăng cường các ứng dụng của động cơ này trong các truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ

Được sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Trần Xuân Minh - Trưởng Khoa Điện Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp-Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài

luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện dùng động cơ điện một

chiều không chổi than”

Kết cấu của luận văn gồm:

Chương 1- Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than và hệ truyền

động điện dùng động cơ điện một chiều không chổi than

Chương 2- Mô hình toán học của động cơ điện một chiều không chổi than và lựa

chọn thuật toán điều khiển

Chương 3- Xây dựng cấu trúc hệ truyền động và mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cảm

ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo - TS Trần Xuân Minh, người đã luôn quan tâm động

viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng 8 năm 2010 Tác giả

Nguyễn Đức Hưng

So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thường:

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của ĐCMCKCT

Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của ĐCMCKCT và ĐCMC thông thường hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này Khi nói về chức năng của động cơ điện, không được quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ Ở động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiều được thực hiện bởi cổ góp và chổi than Ngược lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT

Cấu trúc cơ khí

Mạch kích từ nằm trên

Tính năng đặc biệt

Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển

Đáp ứng chậm hơn Dễ bảo dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng)

Đơn giản nhất là nối 

thường: Dây quấn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc nối 4 pha Đơn giản nhất: nối 2 pha

Phương pháp đổi chiều

Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp

Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn như transitor, IGBT

Phương pháp xác định vị trí rotor

Tự động xác định bằng chổi than

Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử Hall, cảm biến quang học (optical encoder)

Phương pháp đảo chiều

Đảo chiều điện áp nguồn (cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic

1.1.2 Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than

Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu Hình 1.1 minh hoạ cấu tạo của một động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình:

Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử như biểu diễn trên hình 1.2 Từ hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor

Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được

‘

Chuyển mạch điện tử

Cảm biến vị trí ĐC đồng bộ

kích thích vĩnh cửu

Hình 1.2: Sơ đồ khối ĐCMCKCT

sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản Hình 1.3 là mặt cắt ngang của một động cơ một chiều không chổi than hai pha có cực từ phụ điển hình

Như vậy, về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3 phần chính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ

Stator:

Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha (hình 1.4) Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác 

Hình 1.3: Mặt cắt ngang của một ĐCMC không chổi than (a) và của một động cơ một chiều không chổi than hai pha (b)

Stator của ĐCMCKCT được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator Theo truyền thống cấu tạo stator của ĐCMCKCT cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặc hình tam giác Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau

Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động ĐCMCKCT có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính vì sự khác nhau này mà tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là ĐCMCKCT hình sin và ĐCMCKCT hình thang Dòng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn

Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ… Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động

hóa và các ứng dụng công nghiệp

Rotor:

Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng

Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau

Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp được chọn tương ứng Nam châm Ferrite thường được sử dụng Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến Nam châm Ferrite rẻ hơn nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp Trong khi đó, vật liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite

Hình 1.6: Rotor của ĐCMCKCT

Rotor lõi tròn với nam

châm đặt trên chu vi

Rotor lõi tròn với nam châm hình chữ nhật được

đặt trong rotor

Rotor lõi tròn, nam châm hình chữ nhật chèn vào trong lõi rotor

Hình 1.7: Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

Các cảm biến Hall

Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện tử Tức là các cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điều quan trọng là cần phải biết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện Vị trí của rotor được đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong stator

Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có 3 cảm biến Hall đặt ẩn bên trong stator, ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ

Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall Đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn Số lượng các

điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879

Hình 1.8: Hiệu ứng Hall

Hình 1.9: Động cơ một chiều không chổi than – cấu trúc nằm ngang

Trên hình 1.9 là mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than với rotor có các nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng yên của động cơ Việc đặt cảm biến Hall trong stator là quá trình phức tạp vì bất cứ một sự mất cân đối sẽ dẫn đến việc tạo ra một sai số trong việc xác định vị trí rotor Để đơn giản quá trình gắn cảm biến lên stator, một vài động cơ có các nam châm phụ của cảm biến Hall được gắn trên rotor, thêm vào so với nam châm chính của rotor Đây là phiên bản thu nhỏ của nam châm trên rotor Do đó, mỗi khi rotor quay, các nam châm cảm biến rotor đem lại hiệu ứng tương tự như của nam châm chính Các cảm biến Hall thông thường được gắn trên mạch in và cố định trên nắp đậy động cơ

Điều này cho phép người dùng có thể điều chỉnh hoàn toàn việc lắp ráp các cảm biến Hall để căn chỉnh với nam châm rotor, đem lại khả năng hoạt động tối đa

Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến Các cảm biến

Dựa vào điều này, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch mà cần phải thực hiện trong quá trình điều khiển động cơ

Các cảm biến Hall cần được cấp nguồn Điện áp cấp có thể từ 4 đến 24V Yêu cầu dòng từ 5 đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần để ý đến đặc điểm kỹ thuật tương ứng của từng loại động cơ để biết được chính xác điện áp và dòng điện của các cảm biến Hall được dùng Đầu ra của các cảm biến Hall thường là loại open-collector, vì thế, cần có điện trở treo ở phía bộ điều khiển nếu không có điện trở treo thì tín hiệu mà chúng ta có được không phải là tín hiệu xung vuông mà la tín hiệu nhiễu

Bộ phận đổi chiều điện tử (Electronic commutator)

Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor

Do trong cấu trúc của động cơ một chiều không chổi than cần có cảm biến vị trí rotor Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường

Hình 1.10: Bộ phận đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất

Góc quay (độ)

Tín hiệu ra của phototransistor

PT1 PT2 PT3

I1

I2

I3

t t

Hình 1.11 minh hoạ một ĐCMCKCT ba pha đơn giản, động cơ này sử dụng cảm biến quang học làm bộ phận xác định vị trí rotor Như biểu diễn trên hình 1.11, cực Bắc của rotor đang ở vị trí đối diện với cực lồi P2 của stator, phototransistor PT1 được chiếu sáng, do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (Base) của transistor Tr1 làm cho Tr1 mở Ở trạng

hút cực Bắc của rotor làm cho rotor chuyển động theo hướng mũi tên

Khi cực Bắc của rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 của stator, lúc này

qua Tr2 Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và tạo ra cực Nam trên cực lồi P2 thì cực Bắc của rotor sẽ quay theo chiều mũi tên đến vị trí đối diện với cực lồi P2 Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 và phototransistor PT3 được chiếu sáng Lúc này chiều của dòng điện có chiều từ W2 sang W3 Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại được kích hoạt và tạo thành cực lồi Do đó, cực Bắc của rotor di chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lại các chuyển mạch như vậy theo thứ tự cho ở hình 1.12, rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục

1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)

Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trên stator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất được điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor

Hình 1.13: Chuyển mạch hai cực tính của ĐCMCKCT

G4

Về bản chất, chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 van chuyển mạch được bố trí trên hình 1.13 Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thường dùng van IGBT Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn thì các diode được mắc song song với các van Để điều khiển các van bán dẫn của chuyển mạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường

1.3 Một số đặc điểm về điện của ĐCMCKCT 1.3.1 Thứ tự chuyển mạch

Hình 1.14 là một ví dụ về các tín hiệu của cảm biến Hall tương ứng với sức phản điện động của động cơ và dòng điện pha Hình 1.15 chỉ ra thứ tự chuyển mạch tương ứng với các cảm biến Hall khi động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ Hình 1.16 là một ví dụ về các tín hiệu của cảm biến Hall tương ứng với sức phản điện động của động cơ và dòng điện pha Hình 1.17 chỉ ra thứ tự chuyển mạch tương ứng với các cảm biến Hall khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

điện, một cảm biến Hall lại thay đổi trạng thái Như vậy, có thể thấy, nó cần 6 bước để hoàn thành một chu kỳ điện Đồng thời, cứ mỗi

một chu kỳ điện có thể không tương ứng với một vòng quay của rotor về cơ khí Số lượng chu kỳ điện cần lặp lại để hoàn thành một vòng quay của động cơ được xác định bởi số cặp cực của rotor Một chu kỳ điện được xác đinh bởi một cặp cực rotor Do đó số lượng chu kỳ điện trên một chu kỳ cơ bằng số cặp cực rotor

Không giống như các loại động cơ thông thường như đông cơ một chiều và động cơ đồng bộ thì ĐCMCKCT có đường sức phản điện động là hình thang còn dòng điện chảy trong các pha là dạng hình chữ nhật Đặc tính sức phản điện động của ba cuộn dây

stator tương ứng Căn cứ vào dạng dòng điện của 3 pha của động cơ theo vị trí của cảm biến Hall để xác định được sơ đồ mở van cho bộ nghịch lưu Do một chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổi vị trí nên sẽ có 6 trạng thái mở van

Hình 1.14: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ

A(1)

Hình 1.15: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ

ICIAECEBEAHALL3HALL2HALL1

Hình 1.16: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế

độ quay ngược chiều kim đồng hồ

A

Hình 1.17: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình 1.18 là sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than Hệ thống điều khiển có sử dụng vi điều khiển làm bộ điều khiển chính, phát xung PWM cho bộ đệm PWM - IGBT driver Để phát xung PWM cho bộ đệm thì vi điều khiển phải thực hiện công việc lấy tín hiệu từ cảm biến Hall về và căn cứ vào bảng cảm

biến Hall để phát xung mở van đúng theo thứ tự cấp điện

Hình 1.18: Hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than

Bảng 1.2 và 1.3 là thứ tự chuyển mạch của các van dựa trên các đầu vào từ các cảm biến Hall A, B, C ứng với chiều quay của động cơ Trong đó các cảm biến

Thứ tự

Đầu vào từ cảm biến Hall

DS-PIC 30F4011

6 0 0 1 PWM5(Q5) PWM4(Q4) -DC - +DC

Bảng 1.2: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ

Thứ tự

Đầu vào từ cảm biến Hall

Bảng 1.3: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

1.3.2 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCT

Đặc tính cơ của ĐCMCKCT giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thường Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác ĐCMCKCT không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế đánh lửa Vì vậy vùng điều chỉnh của ĐCMCKCT có thể được mở rộng hơn

Hình 1.13: Đường đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCT

1.3.3 Sức phản điện động

Khi động cơ một chiều không chổi than quay, mỗi một cuộn dây tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây đó theo luật Lenz Chiều của sức phản điện động này ngược chiều với điện áp cấp Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc góc của rotor, từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu của rotor và số vòng trong mỗi cuộn dây của stator

Trong ĐCMCKCT từ trường rotor và số vòng dây stator là các thông số không đổi Chỉ có duy nhất một thông số ảnh hưởng đến sức phản điện động là vận tốc góc hay vận tốc của rotor và khi vận tốc tăng, sức phản điện động cũng tăng Trong các tài liệu kỹ thuật của động cơ có đưa ra một thông số gọi là hằng số sức phản điện động có thể được sử dụng để ước lượng sức phản điện động ứng với tốc độ nhất định

1.4 Kết luận

Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ một chiều không chổi than gồm cấu trúc, một số khái niệm về các thông số điện của động cơ, các yêu cầu cần thiết khi lựa chọn động cơ và ưu nhược điểm của ĐCMCKCT so với một số loại động cơ khác Có thể thấy, ngoại trừ các nhược điểm về giá cả và độ phức tạp trong điều khiển, ĐCMCKCT là một loại động cơ phù hợp với rất nhiều yêu cầu đòi hỏi độ chính xác và yêu cầu momen cao Nó có thể thỏa mãn các ứng dụng từ dải công suất thấp cỡ vài Watt đến công suất lớn cỡ hàng trăm KW Vì vậy ĐCMCKCT đang

trở nên ngày càng phổ biến trong cả dân dụng và công nghiệp Động cơ một chiều

thông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch dòng điện cơ khí đó là cổ góp và chổi than Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là trong các truyền động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí không thể đáp

ứng được ĐCMCKCT đã khắc phục được nhược điểm này, do đó đã mở ra nhiều hướng ứng dụng mới cho loại động cơ này

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

2.1 Mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than

Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích mô tả lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới dạng các biểu thức toán học để thuận lợi cho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toán học Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn đề trong quá trình tính toán thiết kế cho động cơ

2.1.1 Mô hình toán học

Để thực hiện xây dựng mô hình toán học thì phải ước lượng động cơ về các phần tử điện cơ bản Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong ĐCMCKCT bao gồm 3 cuộn

đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn dây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây được thể hiện qua đại lượng M Mặt khác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửa nên khi rotor quay sẽ quét qua cuộn dây stator nên có sự tương tác giữa hai từ

các sức phản điện động này là bằng nhau và bằng E Do các nam châm đều được làm từ vật liệu có suất điện trở cao nên có thể bỏ qua dòng cảm ứng rotor

Hình 2.1: Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT

Từ mô hình mạch điện của động cơ thì phương trình điện áp của một pha:

(2-1)

Đặt s là toán tử laplace khi đó di/dt=i.s Phương trình điện áp của ba pha:

cơ Do các pha là đối xứng nên các giá trị điện trở, điện cảm, hỗ của ba cuộn dây là bằng nhau Khi đó:

Ra = Rb = Rc = R La = Lb = Lc = L Lab = Lca = Lcb = M

Do đó:

= + s + (2-3) Trên hình 2.1 các cuộn dây của stator đấu sao nên:

Suy ra :

Kết hợp hai biểu thức (2.3) và (2.5), suy ra:

Thay vào biểu thức (2-7) :

2.1.2 Momen điện từ

Momen điện từ của ĐCMCKCT được tính thông qua các công suất cơ và công suất điện Do trong ĐCMCKCT ma sát sinh ra chủ yếu giữa trục động cơ và ổ đỡ nên lực ma sát này nhỏ Thêm vào đó vật liệu chế tạo động cơ cũng là loại có điện trở suất cao nên có thể giả thiết bỏ qua các tổn hao sắt, tổn hao đồng… Vì vậy, công suất điện cấp cho động cơ cũng chính bằng công suất cơ trên đầu trục

Với  là tốc độ của động cơ, công suất cơ được tính theo biểu thức:

Như vậy, phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng như sau:

dtdJJ

(2-14) Viết dưới dạng toán tử Laplace:

2.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than

Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ Công suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ Tuy vậy, ở cùng một giá trị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau thì mối quan hệ giữa hai đại lượng này là khác nhau

Xét sơ đồ một pha tương đương của ĐCMCKCT trong hình 2.3 gồm nguồn cấp một chiều có độ lớn V, sức phản điện động là E, điện trở cuộn dây là R và dòng điện mỗi pha ở chế độ xác lập là I Do tại một thời điểm trong ĐCMCKCT luôn có 2 pha cùng dẫn nên phương trình cân bằng điện áp của động cơ ở thời điểm xác lập như sau:

Hình 2.3: Sơ đồ 1 pha tương đương của ĐCMCKCT

Ta có biểu thức công suất điện:

Nếu bỏ qua các tổn hao về momen như tổn hao do ma sát, tổn hao sắt từ, khe hở… thì có thể coi công suất cơ xấp xỉ bằng công suất điện Trong biểu thức về sức phản điện động trên, E là giá trị đo theo đỉnh – đỉnh Vì vậy, biên độ của sức phản điện động phải là E/2 Cân bằng các phương trình (2 -17) và (2-18) kết hợp với biểu thức sức phản điện động, ta được:

Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2-15), ta sẽ có biểu thức của tốc độ như sau:

IRV2 .

Giao điểm của đường đặc tính cơ với trục momen là giá trị momen lớn nhất hay momen ngắn mạch (tương ứng với dòng điện ngắn mạch)

Có thể thấy, dạng của phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông

thường với ĐCMCKCT là giống nhau

2.3 Sơ đồ cấu trúc của ĐCMCKCT

Sơ đồ cấu trúc của ĐCMCKCT mang tính tổng quát cho một động cơ 3 pha Do trong ĐCMCKCT hệ số nhớt là rất nhỏ nên có thể bỏ qua thành phần D trong

các phương trình tính toán Xuất phát từ biểu thức (2-7), các phương trình điện được viết lại như sau:

Từ 3 phương trình trên, kết hợp với các phương trình momen điện từ (2-11) và phương trình động học (2-14), bỏ qua ma sát trong động cơ, sơ đồ khối của ĐCMCKCT được trình bày như trong hình 2.4